单元二 冲裁工艺与模具设计教案.docx

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单元二冲裁工艺与模具设计教案

单元二冲裁工艺与模具设计

任务一冲裁变形过程分析及冲裁间隙

一、冲裁变形过程

冲裁工艺是指利用模具在压力机上使板料产生分离的冲压工艺。

冲裁可直接冲出所需形状的工件，也可为其他工序制备毛坯。

冲裁时所使用的模具称为冲裁模。

工艺的种类很多，常用的有落料、冲孔、切断、切边、切口等，其中落料和冲孔应用最多。

从板料上冲下所需形状的工件（或毛坯）称为落料；在工件（或毛坯）上冲出所需形状的孔（冲去部分为废料）称为冲孔。

冲裁的变形机理不同，冲裁工艺可以分为普通冲裁和精密冲裁两大类。

冲裁过程中，冲裁模的凸、凹模组成上、下刃口，在压力机的作用下，凸模逐渐下降，接触被冲压材料并对其加压，使材料发生变形直至产生分离。

为了研究冲裁的变形机理，控制冲裁件的质量，就需要分析冲裁时板料分离的实际过程。

当模具凸、凹模间隙正常时，板料的变形过程可分为三个阶段

1）.弹性变形阶段

当凸模开始接触板料并下压时，凸、凹模刃口压入材料中，刃口周围的材料产生应力集中，从而产生弹性压缩、弯曲、拉伸等复杂变形。

2）.塑性变形阶段

随着凸模继续压入，材料的内应力达到屈服极限，材料在与凸、凹模的接触处产生塑性剪切变形。

3）．断裂分离阶段

板料内的应力达到强度极限后，随着凸模继续下压，在与凸、凹模的接触处，板料产生微小裂纹。

冲裁件断面特征：

1圆角带，2光亮带，3断裂带，4.毛刺。

2、了解冲裁模间隙的确定方法

凸、凹模刃口部分尺寸之差称为冲裁间隙，用Z表示，又称双面间隙

冲裁间隙要求：

（1）模具间隙合理时，凸模与凹模处的裂纹（上下裂纹）在冲压过程中相遇并重合，其塌角较小，光面所占比例较宽。

（2）大时，凸模刃口处的裂纹较合理间隙时向内错开一段距离，上下裂纹未重合部分的材料将受很大的拉作用而产生撕裂，使塌角增大，毛面增宽，光面减少，毛刺肥而长，难以去除，断面质量较差；

（3）小时，凸模与凹模刃口处的裂纹较合理间隙时向外错开一段距离，上下裂纹中间的一部分材料，随着冲裁的进行将进行二次剪切，从而使断面上产生二个光面，并且，由于间隙的减小而使材料受挤压的成分增大，毛面及塌角都减少，毛刺变少，断面质量最好。

因此，对于普通冲裁来说，确定正确的冲裁间隙是控制断面质量的一个关键。

任务二冲裁模刃口尺寸计算

导入：

由冲裁件引入其变形过程及间隙的确定。

一、冲裁模刃口尺寸计算

1.先确定基准件

落料：

以凹模为基准，间隙取在凸模上；

冲孔：

以凸模为基准，间隙取在凹模上。

2.考虑冲模的磨损规律

落料模：

凹模基本尺寸应取最小极限尺寸；

冲孔模：

凸模基本尺寸应取最大极限尺寸。

3.冲裁力计算

冲裁力：

冲裁过程中凸模对板料施加的压力。

1）卸料力：

从凸模上卸下箍着的料所需要的力。

2）推件力：

将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力。

3）顶件力：

逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力。

任务三：

冲裁排样设计

一、材料利用率的计算

材料利用率是指冲裁制件的实际面积与所用板料面积的百分比，它是衡量合理利用材料的经济性指标，也是检验排样是否合理的重要参数。

一个送料步距内的材料利用率可用下式计算：

二、排样方法

1．有废料排样

由于具有搭边，定位时存在的误差可由搭边来补偿，制件尺寸完全由冲模来保证，因此精度高，并且模具寿命也高，但材料利用率低。

2．有废料排样

材料利用率较高。

3．无废料排样

材料利用率最高。

三、搭边

1．搭边的概念和作用

排样时制件之间以及制件与条料侧边之间留下的工艺废料称为搭边。

搭边的作用表现在以下三方面：

（1）补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格零件。

（2）是保证条料具有一定刚度，便于条料送进，从而提高劳动生产率。

（3）可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉人模具间隙，从而提高模具寿命。

2．搭边值的确定

排样时一定要合理确定搭边值。

搭边值过大，材料利用率低；搭边值过小时，搭边的强度和刚度不够，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲裁件毛刺，有时甚至单边拉入模具间隙，造成冲裁力不均，损坏模具刃口。

搭边值的大小一般由经验确定的，最小搭边值的经验数值表，供设计时参考。

四、条料宽度

1．送料时在一侧导料板装有侧压装置时

有侧压装置时,条料在送料时能始终贴紧另一侧导料板。

条料的宽度：

导料板间距离：

2．无侧压装置的导料板之间送料时

无侧压装置时，条料在送料时可能会产生左右摆动或转动，计算公式为：

条料的宽度：

导料板间距离：

3．用侧刃定距时

当采用侧刃定位保证送进步距时，条料宽度应考虑侧刃的宽度，又因为侧刃定距时搭边取值较小，所以计算公式如下：

条料的宽度：

导料板间距离：

五、排样图

排样图是排样设计的最终表达形式。

也是备料、加工依据。

一张完整的排样图应标注条料宽度、长度（卷料除外）、板料厚度、步距、搭边（a和a1），通常应绘制在冲压工艺规程的相应卡片上和冲裁模总装图的右上角，如图所示。

复合冲裁排样图

级进冲裁排样图

任务四：

冲裁力和压力中心的计算

一、定义

冲裁力是冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模进人材料的深度（凸模行程）而变化的。

卸料力:

为使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的料卸下，将卡在凹模内的料推出。

从凸模上卸下箍着的料所需要的力称卸料力；

推件力：

将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力称推件力；逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力称顶件力。

卸料力、推件力和顶件力是由压力机和模具卸料装置或顶件装置传递的。

所以在选择设备的公称压力或设计冲模时，应分别予以考虑。

影响这些力的因素较多，主要有材料的力学性能、材料的厚度、模具间隙、凹模洞口的结构、搭边大小、润滑情况、制件的形状和尺寸等。

二、压力及工程压力计算

压力机的公称压力必须大于或等于各种冲压工艺力的总和Fz。

Fz的计算应根据不同的模具结构分别对待，即

采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模时

采用弹性卸料装置和上出料方式的冲裁模时

采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模时

三、降低冲裁力的方法

阶梯凸模冲裁

斜刃冲裁

加热冲裁（红冲）

四、压力中心的确定

1．简单几何图形压力中心的位置

（1）对称冲件的压力中心，位于冲件轮廓图形的几何中心上。

（2）冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中心。

2．确定多凸模模具的压力中心

确定多凸模模具的压力中心，是将各凸模的压力中心确定后，再计算模具的压力中心（见图2.6.5）。

计算其压力中心的步骤如下：

（1）按比例画出每一个凸模刃口轮廓的位置。

（2）在任意位置画出坐标轴线x，y。

坐标轴位置选择适当可使计算简化。

在选择坐标轴位置时，应尽量把坐标原点取在某一刃口轮廓的压力中心，或使坐标轴线尽量多的通过凸模刃口轮廓的压力中心，坐标原点最好是几个凸模刃口轮廓压力中心的对称中心。

（3）分别计算凸模刃口轮廓的压力中心及坐标位置和。

（4）分别计算凸模刃口轮廓的冲裁力或每一个凸模刃口轮廓的周长。

（5）对于平行力系，冲裁力的合力等于各力的代数和。

即

任务五：

冲裁模的类型及结构

一、冲裁模的基本类型

1、按工序组合程度分

1）单工序模是指压力机在一次行程中只完成一道工序的冲裁模。

在一副模具中，在模具的同一位置上能同时完成数种工序的模具（在压力机的一次行程中，在模具的同一位置上同时完成几道工序的冲模）。

在一副模具中，材料在模具的不同位置上能同时完成各自工序（是指压力机在一次行程中依次在几个不同的位置上同时完成多道工序的冲模）。

2）复合模

单工位、多工序。

3）连续模

多工位、多工序。

2、按上下模导向方式分

1）无导向开式模

模具本身无导向装置，工作时完全依靠冲床起导向作用。

2）有导向模

A、导板模

用导板来保证工作时凸凹模之间的准确位置。

B、导柱模

上下模之间分别装有导套和导柱，两种导向零件保证凸凹模工作时的相对准确位置。

3、按凹模位置分

1）正装模：

凹模在下模

2）反装模：

凹模在上模

4、按自动化程度分

1）手动操作模

2）半自动模

3）自动模

二、冲裁模的结构组成

都是由上模和下模两个部分组成。

上模固定在压力机滑块上，是活动部分，下模通过下模座固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。

根据各零部件在模具中所起的作用不同，可将冲裁模分为：

工作零件：

直接使坯料产生分离或进行塑性成形的零件。

定位零件：

确定坯料或工序件在冲模中正确位置的零件。

卸料与推出零件：

此类零件中冲箍在凸模上或卡在凹模内的废料或冲裁件卸下，推出或顶出，以保证冲压工作能继续进行。

导向零件：

保证上、下模的相对位置，及运动导向精度的零件。

支撑与固定零件：

将各类零件固定在上、下模上，并将上、下模连接到压力机的滑块和工作台。

其他零件：

如紧固件、滑块。

三、冲裁模的典型结构

（一）单工序模

1、落料模

1）无导向单工序落料模

1-上模座2-凸模3-卸料板

4-导料板5-凹模6-下模座

7-定位板

特点：

安装调整麻烦，模具寿命低，冲裁件精度差，操作也不安全。

应用：

适用于精度要求不高，形状简单，批量小或试冲裁件。

2）导板式单工序落料模

1-模柄2-止动销3-上模座4、8-内六角螺钉5-凸模6-垫板7-凸模固定板9-导板10-导料板11-承料板12-螺钉13-凹模14-圆柱销15-下模座

16-固定挡料销17-止动销18-限位销19-弹簧20-始用挡料销

3）导柱式单工序落料模

1-螺帽2-导料螺钉3-挡料销4-弹簧5-凸模固定板6-销钉7-模柄8-垫板9-止动销10-卸料螺钉11-上模座12-凸模13-导套14-导柱15-卸料板16-凹模17-内六角螺钉18-下模座

2、冲孔模

1）利用弹性推件销实现自动取料

2）导柱式冲孔模

3）导板式侧面冲孔模

1-摇臂2-定位销3-上模座4-螺钉5-凸模6-凹模7-凹模体8-支架9-底座10-螺钉11-导板12-销钉13-压缩弹簧。

（二）复合模

是指在压力机的一次行程中在模具的同一个工位上同时完成两道或两道以上冲裁工序的冲模。

特征：

有一个或几个具有双重作用的工作零件凸凹模。

优点:

生产率高，冲裁件的内孔与外缘相对位置精度高，冲模尺寸较小。

用途：

生产批量大，精度高的冲裁件。

分类：

正装复合模、倒装复合模。

三、连续模

是指压力机在一次行程中依次在几个不同的位置上同时完成多道工序的冲模。

分类：

用导正销定距的连续模、用侧刃定距的连续模。

1、用导正销定距的连续模

由固定挡料销控制送料步距作粗定位。

由导正销实现精定位。

在凸模上：

位置与个数由冲孔情况决定。

在凸模外：

位置要求对称分布；数量由工位数决定。

1-模柄2-螺钉3-冲孔凸模4-落料凸模5-导正销6-固定导料销7-始用导料销

2、用侧刃定距的连续模

1）侧刃原理（单侧刃存在的问题）

采用单侧刃的问题在于，当冲裁到达最后一步时，缺少可靠的定位，造成其后各个工位加工的失败；可采用双侧刃来解决这个问题。

2）双侧刃原理

3）用侧刃定距的连续模特点

在凸模上固定装上一个或二个特殊凸模---侧刃。

侧刃断面的长度等于送料步距，每次定位后将切除一个步距的边缘，用来下次定位。

采用单侧刃，当条料冲到最后一件时，条料的狭边被冲完，于是条料上不再有凸角，落料时无法再定位，末料成废品。

优点：

操作方便安全，送料速度高，便于实现自动化。

缺点：

模具结构复杂，材料有额外消耗，定位精度不高。

3、连续模排样设计

1）零件精度对排样要求:

精度要求高——尽量减少工位数

孔距公差较小——尽量同一工位冲出

2）模具结果对排样要求:

零件较大或较小但工位多——采用连续复合排样

3）模具强度对排样要求:

孔距小——分布冲

工位间凹模壁厚小——增设空工位

外形复杂——分布冲

4、零件成形规律对排样要求:

落料或切断工序——安排在最后工位上

对成形件变形部位上的孔——一般在成形工序下冲出

套料连续冲模——按由里向外顺序冲出

任务六：

冲裁模零部件设计

一、工作零件

1．凸模

（1）凸模的结构形式及其固定方法

由于冲件的形状和尺寸不同，冲模的加工以及装配工艺等实际条件亦不同，所以在实际生产中使用的凸模结构形式很多。

其截面形状有圆形和非圆形；刃口形状有平刃和斜刃等；结构有整体式、镶拼式、阶梯式、直通式和带护套式等。

凸模的固定方法有台肩固定、铆接、螺钉和销钉固定，粘结剂浇注法固定等。

1）圆形凸模按标准规定，圆形凸模有以下3种

台阶式的凸模强度刚性较好，装配修磨方便，其工作部分的尺寸由计算而得；

与凸模固定板配合部分按过渡配合（H7/m6或H7/n6）制造；

最大直径的作用是形成台肩，以便固定，保证工作时凸模不被拉出。

2）非圆形凸模在实际生产中广泛应用的非圆形凸模台阶式的。

3）大、中型凸模大、中型的冲裁凸模，有整体式和镶拼式两种。

大、中型整体式凸模，直接用螺钉、销钉固定。

4）冲小孔凸模所谓小孔，一般系指孔径d小于被冲板料的厚度或直径d＜1mm的圆孔和面积A＜1mm的异形孔。

它大大超过了对一般冲孔零件的结构工艺性要求。

2．凹模

凹模类型很多，凹模的外形有圆形和板形；结构有整体式和镶拼式；刃口也有平刃和斜刃。

（1）凹模外形结构及其固定方法

这两种圆形凹模尺寸都不大，直接装在凹模固定板中，主要用于冲孔。

采用螺钉和销钉直接固定在支承件上的凹模，这种凹模板已经有标准，它与标准固定板、垫板和模座等配合使用。

凹模采用螺钉和销钉定位固定时，要保证螺钉（或沉孔）间、螺孔与销孔间及螺孔、销孔与凹模刃壁间的距离不能太近，否则会影响模具寿命。

3．凸凹模凸凹模是复合模中同时具有落料凸模和冲孔凹模作用的工作零件。

它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。

4．凸、凹模的镶拼结构

（1）镶拼结构的应用场合及镶拼方法

对于大、中型的凸、凹模或形状复杂、局部薄弱的小型凸、凹模，如果采用整体式结构，将给锻造、机械加工或热处理带来困难，而且当发生局部损坏时，就会造成整个凸、凹模的报废，因此常采用镶拼结构的凸、凹模。

二、定位零件

冲模的定位零件是用来保证条料的正确送进及在模具中的正确位置。

条料在模具送料平面中必须有两个方向的限位：

一是在与条料方向垂直的方向上的限位，保证条料沿正确的方向送进，称为送进导向；

二是在送料方向上的限位，控制条料一次送进的距离（步距）称为送料定距。

属于送进导向的定位零件有导料销、导料板、侧压板等；属于送料定距的定位零件有用挡料销、导正销、侧刃等；属于块料或工序件的定位零件有定位销、定位板等。

三、卸料和推件装置

1．卸料装置

（1）固定卸料板用于平板的冲裁卸料。

卸料板与导料板为一整体；卸料板与导料板是分开的。

弹压卸料既起卸料作用又起压料作用，所得冲裁零件质量较好，平直度较高。

因此，质量要求较高的冲裁件或薄板冲裁宜用弹压卸料装置。

2．推件（顶件）装置

推件和顶件的目的都是从凹模中卸下冲件或废料。

向下推出的机构称为推件，一般装在上模内；向上顶出的机构称为顶件，一般装在下模内。

推件装置主要有刚性推件装置和弹性推件装置两种。

一般刚性的用得较多，它由打杆、推板、连接推杆和推件块组成，如图2.9.29a所示。

有的刚性推件装置不需要推板和连接推杆组成中间传递结构，而由打杆直接推动推件块，甚至直接由打杆推件，如图2.9.29b所示。

其工作原理是在冲压结束后上模回程时，利用压力机滑块上的打料杆，撞击上模内的打杆与推件板（块），将凹模内的工件推出，其推件力大，工作可靠。